坩埚是什么？它为啥能承受一千多度的铁水，到底是用什么材料做的

在工业革命之前，人们就已经开始使用坩埚了。现在，坩埚的使用已成为一种必要的“工程”，不管是在实验室里进行高温化学与分析，或是在大规模的生产工厂里，它都被人们广泛使用。

在很多金属材料的制作中，我们就常常使用到“坩埚”这个容器。比如在中国独有的一种冶炼铁的方式就是坩埚冶炼。但是这种“技术”的产生时间年代现在还很难断定。

所见最早的文献记载是《咸丰青州府志》：“康熙二年，孙廷铨召山西人至此，得熔铁之法。凿取石，其精良为石，次为硬石，击而碎之，和以煤，盛以筒，置方炉中，周以礁火。初犹未铁也，复碎之，易其筒与炉，加大火，每石得铁二寸，为生铁。复取其恶者，置圆炉中，木火攻其下，一人执长钩和搅成团出之，为熟铁，减其生之二焉。”

那为什么在冶炼铁的时候，坩埚遇到如此强的高温不会熔化掉呢？在回答这个问题之前，我们先来了解一下坩埚炼铁的历史和原理。

坩埚炼铁

古代人最早的熔炼铁的方法，就是在一个小型的土炉里，用木炭将铁矿石还原成普通的铁水，这就是所谓的“块炼铁”。

由于熔炼炉低，鼓风能力一般，熔炼后的铁在熔炼炉中的滞留时间很短，所以熔炼后的铁水都是没有液化的、像海绵一样的固体块状。而且只能一次一次的炼，不能实现连续生产，产量很低。后来，炉子就被设计得越来越高，鼓风也越来越好，就能锻造出一块生铁来。

除了这个简易的块炼铁炉之外，古人常用的炉子还有两种，一种是炼铁高炉，另外一种就是坩埚炉了，这两种高炉都是在炼铜竖炉和熔铜坩埚的基础上发展出来的。

中国古代的熔铜技术，使用的是“内加热”，也就是将铜料和木炭放入炉中，然后通过鼓风的方式，将里面的金属熔化。“内加热”的熔炼铜的热效率高于“外加热”，且能获得更好的熔炼结果。

所以后来的人们在使用冶铁采用的也是“内加热”技术。人们会将破碎的铁矿石和木炭放入炉子里，然后也是通过鼓风的方式进行燃烧熔炼，但由于铁的熔点比铜的熔点要高很多，所以在冶炼铁的时候采用冶铜的熔炉就存在着耐火度等一系列问题。

所以随着时间长河的流逝，冶炼铁的工艺也在不断革新、改进，后来也有了冶铁专门用的“炉子”——高炉和坩埚炉。那古时候熔炉、高炉、坩埚炉在冶铁方面又有什么不同的性质呢？

古代使用的“炉”

• 熔炉

春秋战国初期，冶铁用的是草泥质熔铜炉。这种材料的耐火能力很差，炉子能够使用的时间也很短，当时的人们没有从熔炉的材料入手，只是单纯地加厚而已。在延长炉龄方面效果不显著，所用的冶铁材料对炉壁的腐蚀仍比较严重，无法实现降渣精炼。

后来，炉壁的材质从“泥”变成了“砂”，这一改革，就使炉壁的耐火性大大增加，但是砂质太多，韧性又变差了，于是人们又开始想办法。

所以第三次人们终于把重点放在了材料的使用上，他们将泥质材料与砂质材料相结合，充分发挥了泥质材料的韧性，砂质材料的“高耐火”的优势，来构筑一座有着多层材料的冶铁熔炉。

从炉内到炉表依次为：第一层是炉衬层，含大量细小砂粒；第二层是一种含大量粗砂的、具有一定抗热性能的的砂质炉层，当炉衬被腐蚀掉后，仍然可以依赖于这一层不停地进行熔炼。

第三层为厚泥质耐火砖层，用于维持骨架结构和保温，第四个层面为草泥表壳层。这种熔炉的构造和材质，基本上满足了那个时候冶炼铁的需要，并一直持续到了西汉。

到了汉朝，又有了一种用煤或者木炭、石英砂和黏土等掺杂而成的黑色耐火材料，这是在连炉材料上的一个创新，这种比用黏土和石英砂等包裹混合的材料更加坚硬。

而在熔炉的四周，都修筑着这样的黑色耐火材料，这就意味着，炼铁的工匠们，也认识到了这种黑色的耐火材料的特性。随后，这种新的黑色材料被大量运用，不光是城镇作坊，就连一些深山老林里的熔炼作坊里，也被大量采用。

• 炼铁高炉

慢慢的，冶铁熔炉就这样在战国时代得到了发展，出现了“炼铁高炉”，最终在西汉时代趋于完善。在鼓风技术的限制下，汉代的炼铁高炉从其外形出发，以椭圆形断面的方法，增加了炼铁的产量。然而，由于炉身太高，与当年的鼓风装置不符。

所以即使对鼓风装置进行了些许改进，也无法让高耸的高炉获得足够的空气，这就导致了炉温不足，乃至“冻结事故”。比如古荥镇的高炉遗址，就是一个很好的例子。因为高炉太大，导致高炉内的空气质量和温度都不能满足要求，所以有时会出现冻结事故。

历史文献《汉书》中也记载了与高炉及其事故相关的内容：“公元前91年春，涿郡的铁官铸铁，铁销，皆飞上去……河平二年(公元前27年)正月，沛郡铁官铸铁，铁不下，地陷数尺，隆隆如雷声，有如鼓音，工十三人惊走。音止，还视地，地陷数尺，炉分为十，一炉中销铁散如流星，皆上去，与征和二年同象。”

从那次爆炸的威力和凶险来判断，那座高炉绝对是相当巨大的。并且从那时候冶铁工作的人数，就能看出这个炉子操作的复杂程度。但是后来，古人也开始慢慢建立起了一套群炉炼铁系统，以增加铁的产量。

• 坩埚炉

刚刚也有提到坩埚炼铁法是我国古代人民的“独门秘籍”，有着悠久的历史。不过它也是从坩埚炼铜法演变而来的，那坩埚炉具体长什么样呢？

在1959年，考古学家们在一处西汉时期的冶铁遗迹中，在17个坩埚炼铁炉中，有3个是比较完整的，都是呈正方形的，有一处的长为3.6米，宽为1.82米，深为0.82米。炉子分为四个部分，分别是正面的大门、内部的“池”、长方形的窑洞和炉子后方的烟囱。

门的作用是将炉子放置好，并使炉子内的空气流通。“池”在燃烧过程中起到“风窝”的作用，在“池”的底部留下1厘米厚的细沙。炉膛就可以用来装坩埚、燃料，然后它的四面都是涂着草泥的。

通常，会在坩埚炉的尾部安装3个烟道，以排除烟气。炉内为木柴灰所填充，一些坩埚炼铁炉的底部，还堆积着不少的砖瓦碎片以及烧土块。现在我们大致知晓了坩埚炉的样子，那那个时候所用的坩埚又是长着什么模样呢？

作为一种圆底陶罐，坩埚大致呈椭圆状，它的外面覆盖着一层厚厚的草拌泥，泥土的内部被烧制成了红色，而在它的外面，却是一片“黝黑”，上面还覆盖着一层灰白的岩浆。

从目前的坩埚炼铁法和炼炉的结构来看，不难推断出，那时炼铁使用的是如下的方式：将助溶剂、矿石和木炭的混合液倒入坩埚中。然后，将坩埚放置在炉膛中。

为了让炉子底部透气通风，应该先把砖块和瓦块铺开再装炉，才能让炉子底部透气。为方便引燃，在瓦砾之间必须留出足够多的空间来存放易燃物品，从而作为引燃口。

然后把一列坩埚放在第一层的木炭上，然后还要将砖瓦碎片铺好。之后再将一层木炭铺在第二列的坩埚上，如此反复。直到把整个炉膛都填满，最后再用一层的瓦块和炭块覆盖在上面。

就这样一层一层的排列，生火后立即利用鼓风装置通风，八个小时后，再使用自然风进行熔炼一天，就可以开炉了。这种炉子形状各异，有的一次可以容纳三百口左右的坩埚，小型的，就只能容纳六七口。

坩埚炼铁法也是在炼铁生产中造价较低的一种方法。建造的泥壁和坩埚所用的原料，均可在当地获得；而且，这种方式还使用了自然风，节约了大量的人工费用，只不过每次装炉的时候要四至六个人才能完成，一般情况下，只要一个人负责就可以了。

因其构造简单，无须频繁维修；而且整个炼制流程都很简便，大幅度降低研究学习的费用。但是这样炼铁的方法虽然容易掌握，却不利于批量制造，而且得到的精“铁”品质也不高。但由于它的经济和方便，被后人广泛使用。

直至近代，在山西，河南，山东，辽宁，尤其是在山西省，太行山一带特别流行。山西太行山一带采用的坩埚炼铁工艺，为我国近代土铁产出了总量的40%多，说明坩埚炼铁法在中国传统的冶铁工业中具有举足轻重的作用。

所以坩埚不论是在古代，还是近现代，坩埚在我们的冶铁业中都有一定的地位。那坩埚到底为什么能承受铁水这么高的温度呢？

坩埚为什么不会被熔化

其不会被熔化的原因主要是因为坩埚的制作材料。坩锅是一种在高温下熔化金属的专用容器，通常人们会把熔化的金属用来浇铸新物品或制成新的合金。

所以就是因为坩锅是用来把物质在高温下熔化，因此它制作材料的熔点通常比淬炼熔化的物质更高。坩锅一般是用陶瓷做的，而陶瓷又是石英砂制成的。其熔点高达1700度，完全可以熔炼很多金属材料。

坩埚分类

由钢或者铁制造的坩锅大多用来熔炼诸如铝、锌等比较柔软的材料。这是由于这些金属具有比坩埚材料更低的熔化温度。刚刚有提到，在制造过程中，金属加工一般从坩埚铸造或重塑金属开始。现代坩锅可以被应用到处理实验室中，并且也在很多行业中都有很大的用途。

• 陶瓷坩埚

这种坩锅是用烧制的陶土做成的。在较高的温度下，这类物质很稳定。在近7000年的时间里，人们一直使用陶瓷坩锅来处理各种金属材料。近来，为了保证耐用性能，大部分的陶瓷坩锅都加入粘土和石墨。

• 钨坩埚

钨坩埚是一种以钨为原料的制品。要知道，钨的抗热性能非常好。这类坩埚可承受的温度可达到3410摄氏度，其生产工艺主要包括：纺丝，冲压，锻造，烧结等。钨坩埚可应用于电子器件各种物质的热蒸发沉积技术。

• 土石墨坩埚

在铸造有色金属和黑色金属时就时常用到石墨坩埚。

• 钼坩埚

钼是一种延展性很好的金属材料，抗腐蚀能力极强。在所有的纯元素中，除钽和钨外，钼的熔点也是最高的。钼坩埚在热交换器法（HEM）制作过程中得到了大量应用。适合于对单晶进行熔化、固化。

• 碳化硅坩埚

碳化硅坩埚由于其耐高温性能好，非常适用于现代化的实验室。

• 钢坩埚

不锈钢坩锅是由一种整块材质构成的。与瓷坩锅相比，这类坩锅更难破碎。钢质的坩锅适用于温度较低的材料制作，它可以加热铝粉、锌粉等低熔点的材料。但是钢坩埚极易被腐蚀，脱落，极有可能导致最后的金属材料被污染。

随着现代冶金技术的发展，人们对坩埚的需求也是越来越大，其在冶金制作过程中起着非常重要的作用。其实早在19世纪以前，中国冶金技术一直处于世界领先地位。

中国冶金技术发展

19世纪末以后，由于西方列强的入侵，中国社会逐渐进入半殖民地半封建社会，民族工业遭到摧残。直至19世纪末20世纪初，中国冶金技术才有了较快的发展。进入20世纪以后，在中国共产党的领导下，通过新民主主义革命和社会主义建设，中国的冶金工业取得了长足发展。

在19世纪末期，中国已成为世界上最大的钢铁生产国。当时，中国钢铁年产量占全世界总产量的三分之一。

20世纪初期，中国的钢产量继续上升，已经跃居世界第一位，为后来成为“世界第一钢生产大国”打下了坚实基础。但由于处在建国初期，国内钢铁企业原料短缺和资金缺乏等问题，中国钢铁产量缓慢上升。

中国钢铁工业始于春秋战国时期。当时铸钢技术已经比较成熟。战国时代，随着铁器的大量使用，铸钢技术获得进一步发展，开始采用合渣工艺铸造生铁和铸铁件。

秦统一中国后，由于冶铁业的发展，特别是在汉初出现了钢铁冶炼厂，冶炼出了大量生铁和铸铁件，并使之广泛应用于铸造业。

唐代的炼铁、炼钢技术均得到进一步发展。唐代的炼铁技术中已有“浮法炼铁”和“火法炼铁”之分；炼钢技术中已有“转炉炼钢”和“电炉炼钢”之分。清代，铸铁业继续发展，出现了专门以铁素为主要成分的铸铁材料，并用废钢浇注技术成功地铸造出了各种用途的铸件。

中国钢铁产品质量和品种主要有：钢锭的强度、韧性和塑性指标；热轧钢板的力学性能及焊接性能；镀层钢板的镀层质量、耐腐蚀性能及各种加工工艺性能等。从20世纪50年代到90年代，中国共建成了27个钢铁联合企业。

其中，19个钢铁联合企业生产大型H型钢、冷成型钢筋，6个钢铁联合企业生产船用钢。钢锭的强度、韧性和塑性指标提高；热轧钢板抗拉强度提高了20%左右；冷轧薄板和镀层钢板的性能达到了国际先进水平。

经过70年的发展，中国钢铁工业在新中国成立以来的前30年内，一直保持着高速发展的态势，并且已经逐步实现了现代化。中国钢铁工业在实现工业化过程中取得了巨大成就，但与此同时，中国钢铁工业仍然存在着许多问题。

在钢铁工业发展过程中，面临着产能过剩、技术落后等问题，产能过剩问题是指产能利用率低于平均水平。钢铁企业产品结构不合理，质量不高、品种少。钢铁企业生产经营成本较高。

此外，中国钢铁工业生态环境破坏严重，生产工艺和流程不够完善；产能利用率较低；钢铁行业节能减排难度较大等问题也是中国钢铁工业发展面临的主要挑战。

面对以上挑战，中国钢铁行业应尽快推进新一轮的发展规划，以实现钢材产量占世界总产量比例逐年增加、结构进一步优化的目标。